Si comprende lo que realmente está sucediendo a escala molecular cuando hierve agua, como un cambio en el estado de la materia, entonces comprenderá exactamente por qué.
Primero, los estados de la materia: sólido , líquido y gaseoso (el plasma es otro pero no relevante para esta pregunta).
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La materia en estado sólido consiste en moléculas que se agrupan de manera tal que no se mueven fácilmente entre sí. Esto significa que los sólidos tienen una forma específica y pueden retener esa forma consistente a pesar del espacio disponible a su alrededor.
La materia en estado líquido consiste en moléculas que se mueven libremente entre sí, pero se mantienen en contacto constante entre sí. Por lo tanto, los líquidos tienden a “agruparse” en piscinas, gotas o gotas y la mayoría de las moléculas no escapan rápidamente del grupo. Esto significa que, cuando la gravedad actúa sobre ellos, los líquidos se expanden lateralmente para llenar el espacio disponible, pero no se expanden verticalmente para escapar del contenedor.
La materia en un estado gaseoso consiste en moléculas que se mueven libremente entre sí y no se “agrupan”, por lo que cada molécula actúa como un objeto aislado que se mueve independientemente de todas las demás moléculas. Esto significa que los gases se expanden para llenar su contenedor tanto lateral como verticalmente.
Los tres estados de la materia definidos aquí no están fijos para tipos particulares de moléculas, en realidad son estados transitorios que dependen de:
- El tipo de molécula en cuestión (agua vs granito vs mantequilla vs metano, etc.)
- La temperatura de la materia
- La presión atmosférica que actúa sobre la materia.
Tipo de molécula
El tipo de molécula en cuestión determina el comportamiento de línea de base de la molécula a varias temperaturas, porque determina cómo las moléculas tenderán a interactuar entre sí, cuán fácil / difícil es para ellas moverse una a la otra y cuán fuerte es la tendencia. es para que las moléculas permanezcan juntas frente a volar separadas. Si las moléculas son excepcionalmente densas o tienen una fuerte atracción entre ellas, entonces tenderán a errar hacia estados sólidos o líquidos en lugar de estados gaseosos. Si las moléculas son pequeñas, ligeras y tienen poca atracción entre ellas, tenderán a favorecer un estado gaseoso.
Temperatura
La temperatura de la materia es en realidad una evaluación de qué tan rápido se mueven las moléculas dentro de la materia, y / o la cantidad de vibración dentro de las mismas moléculas (vibración entre átomos que comparten uno / múltiples enlaces). Las temperaturas más altas indican un mayor movimiento de las moléculas y una mayor vibración entre los átomos unidos dentro de las moléculas.
Más allá de cierto punto, la cantidad de movimiento y vibración dará como resultado que las moléculas dentro de un objeto sólido se muevan lo suficiente como para liberarse de sus posiciones normalmente fijas. Una vez que se liberan suficientes moléculas y comienzan a moverse libremente, las transiciones sólidas pasan a estado líquido, es decir, se funden.
Del mismo modo, la temperatura que aumenta lo suficiente dentro de un cuerpo líquido eventualmente dará como resultado que las moléculas se muevan tan rápido que se separen del grupo y se vuelvan gaseosas, es decir, se evaporen. Esto es lo que sucede cuando hierve agua en la estufa , eleva la temperatura del agua hasta que las moléculas dentro del líquido se mueven tan rápido que la gran mayoría de ellas se liberan fácilmente del estado líquido, el vapor escapa de la superficie y Si la temperatura es lo suficientemente alta, se forman bolsas de gas dentro del cuerpo de agua y burbujean como vapor.
El cuerpo del agua líquida tiene una temperatura máxima, porque si se eleva por encima de esa temperatura, el agua se convierte en vapor, por eso (al nivel del mar) el agua hierve exactamente a 100 grados C, y por qué el vapor de una olla hirviendo puede ser más peligroso que el agua líquida, porque el vapor puede alcanzar libremente temperaturas más altas.
Presión atmosférica
El último factor a tener en cuenta es la presión atmosférica. Cuando un objeto se encuentra dentro de un cuerpo más grande, como subterráneo (sólido), bajo el agua (líquido) o en cualquier lugar bajo la atmósfera (gas), el cuerpo más grande ejerce presión en función del “peso” general de la masa sobre el objeto que fuerza las moléculas dentro el cuerpo más grande entre sí y cualquier objeto dentro del cuerpo más grande experimenta este efecto como una fuerza envolvente que empuja hacia adentro desde todos los lados simultáneamente.
Cuando se trata de evaporación, la presión externa actúa en oposición directa a los efectos de la temperatura. Para comprender cómo la presión atmosférica afecta la ebullición del agua, es importante comprender lo siguiente.
Una distinción importante
A cualquier temperatura, en un líquido, algunas de las moléculas se liberan del cuerpo del líquido, convirtiéndose en gas, solo para quedar “atascadas” cerca de la superficie del líquido y finalmente ser absorbidas nuevamente dentro del cuerpo del líquido. Las moléculas que pasan por este proceso constituyen la “presión de vapor” del líquido a la temperatura actual. Cuando aumenta la temperatura del líquido y se liberan más moléculas de la superficie, aumenta la presión de vapor. Es cuando la presión de vapor aumenta lo suficiente como para igualar la presión atmosférica interna y externa que el líquido comienza a hervir.
Esta es la razón por la cual el agua hierve a una temperatura más baja a gran altitud , porque la presión es más baja, la temperatura a la cual la presión de vapor del agua coincide con la atmósfera es más baja, por lo que el agua hierve a una temperatura más baja y la comida se cocina más lentamente (o no se cocina en absoluto) ) cuando se hierve a gran altura. Esta es también la razón por la cual una olla a presión puede hervir agua a más de 100 grados C , ya que el recipiente está sellado, evita la evaporación para que el agua pueda alcanzar temperaturas mucho más altas que el punto de ebullición normal del agua a presión atmosférica, ya que el recipiente sólido sellado significa que la presión de vapor no puede alcanzar un punto en el que el vapor pueda escapar del contenedor a menos que el sello se rompa ya sea por el contenedor que se está abriendo o agrietando.
Reuniéndolo
En el vacío, la presión atmosférica se convierte en cero (o cerca de ella), lo que significa que el punto de ebullición de los líquidos disminuye mucho ya que cualquier presión de vapor es mayor que la presión atmosférica interna inexistente.
Para ponerlo en términos más concretos:
Al nivel del mar, la presión atmosférica es de 14.696 PSI (libras por pulgada cuadrada), lo que significa que la presión de vapor de un líquido debe elevarse a 14.696 PSI para que hierva, lo que ocurre en el agua a 100 grados C. A mayores altitudes, la presión y el punto de ebullición disminuyen de las siguientes maneras.
En el monte Everest:
- 5.400 metros = 400 torr = 7.734709 PSI = ~ 85 grados C
- 6.300 metros = 351 torr = 6.787207 PSI = ~ 80 grados C
- 8.050 metros = 283.6 torr = 5.483909 PSI = ~ 75 grados C
- 8.848 metros = 253 torr = 4.892204 PSI = ~ 70 grados C
Más importante aún, cuando el PSI llega a menos de 1.0, el punto de ebullición del agua cae rápidamente , y el punto de ebullición cae por debajo de la temperatura ambiente (23 grados C / 73 grados F) cuando se encuentra por debajo de 0.4 PSI, y el punto de ebullición cae por debajo del punto de congelación a debajo de 0.01 PSI.
En otras palabras, en un vacío perfecto, el punto de ebullición del agua está por debajo del punto de congelación del agua , lo que significa que el agua pasará directamente de sólido a gas (sublimación) y omitirá el estado líquido por completo. Por lo tanto, el agua líquida en un vacío completo, por definición, está en estado líquido y, por lo tanto, por encima de 0 grados C, por encima del punto de ebullición a esa presión y hervirá hasta que se enfríe lo suficiente como para que se congele, momento en el que aún puede continúe sublimándose hasta que la temperatura sea lo suficientemente baja como para que se vuelva insignificante.
Es por eso que el agua líquida no existe en el espacio, y por qué los cometas helados aún pueden emitir rastros de vapor de agua sin necesidad de derretirse.
También es una nota interesante que si no fuera por la atmósfera no habría agua líquida en la tierra porque todo herviría / sublimaría o se congelaría.
Referencias
Gráfico de puntos de ebullición del agua a diferentes presiones.
Estado de la materia | Wikiwand
Presión de vapor | Wikiwand
Presiones barométricas a altitudes extremas en el monte. Everest: significado fisiológico.
Conversión de Torr a Atmósferas
